CN112784402A - 一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，属于力学仿真优化技术领域。该方法实现的步骤包括：步骤一：在有限元软件中构建脆性夹层结构的三维装配模型并定义其装配参数；步骤二：在模型中按照破损临界点施加预紧力获取紧固面应力分布状态；步骤三：根据应力分布分别对角位置、边位置螺钉的预紧力大小和装载顺序进行优化；步骤四：分别判断预计力优化和加载顺序优化后的应力分布是否均匀，是则进入下一步，否则返回步骤三重新优化；步骤五：输出最优的预紧力装载数值与装载顺序。本发明在脆性夹层结构连接过程中进行连接件的仿真模型构建，通过实验构建紧固力矩与预紧力映射关系，最终达到对脆性夹层结构螺钉预紧力优化的效果。

Description

一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法
技术领域
本发明属于力学仿真优化技术领域，具体涉及一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法。
背景技术
近年来，随着工艺技术与仿真测试技术的提升，关于脆性夹层材料作为结构构件的研究逐渐广泛。脆性夹层材料能够提高结构承载力、刚度、冗余度等，使其拥有较好的发展潜力。
在应用脆性夹层材料的具体工程实例中，使用螺纹紧固件连接脆性夹层时，脆性夹层承载预紧力的大小往往影响着脆性夹层材料的使用性能。
一般夹层类材料延展性良好，对预紧力大小不敏感，但脆性夹层材料硬度和脆性很大，在螺钉拧紧过程中，预紧力过大会致使脆性夹层破裂，预紧力过小会影响夹层结构的气密性。因此，优化预紧力的装载数值对脆性夹层结构发挥正常作用尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，该方法在脆性夹层结构连接过程中进行连接件的仿真模型构建，进行螺纹紧固面应力分布分析，并通过实验构建紧固力矩与预紧力映射关系，最终达到脆性夹层结构螺钉预紧力优化效果。
一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，该方法实现的步骤如下：
步骤一：在有限元软件中构建脆性夹层结构的三维装配模型并定义其装配参数；
步骤二：在模型中按照破损临界点施加预紧力获取紧固面应力分布状态；
步骤三：根据应力分布分别对角位置、边位置螺钉的预紧力大小和装载顺序进行优化；
步骤四：分别判断预计力优化和加载顺序优化后的应力分布是否均匀，如果是进入下一步，如果否，则返回步骤三重新优化；
步骤五：输出最优的预紧力装载数值与装载顺序。
进一步地，所述步骤一中所述三维模型构建包括分析步长设置、接触面与接触属性设置、约束条件构建以及网格划分。
进一步地，所述步骤二中获取紧固面应力分布状态的过程如下：在三维装配模型中构建边界条件同时对预紧力进行线性增长的加载，得到脆性夹层材料的应力应变状态图与脆性夹层结构件的应力应变状态图；在三维装配模型中根据脆性夹层材料的应力应变状态图与其材料属性作对比，得到脆性夹层结构所能承受的最大预紧力，并分析其应力分布状态。
进一步地，所述步骤三中对角位置、边位置螺钉的预紧力进行优化的过程包括：在三维装配模型中根据脆性夹层结构件的应力应变状态图应力集中位置，适当减小临近螺钉预紧力加载数值而增大其他位置预紧力加载数值，得出角位置螺钉预紧力与边位置螺钉预紧力的最优数值关系。
进一步地，所述步骤三中对角位置、边位置螺钉的装载顺序进行优化的过程包括：根据脆性夹层结构件的应力应变状态图与脆性夹层材料的应力应变状态图，通过分别顺序加载对角、邻角、对边、邻边的螺钉预紧力并观测应力曲线变化，得出螺钉预紧力的最优加载顺序。
有益效果：
本发明首先构建了脆性夹层结构的三维装配模型，通过模型对脆性夹层结构进行了预紧力优化，使得按特定装载顺序与数值装载预紧力后，脆性夹层材料与脆性夹层结构件的应力分布能够得到优化，从而有效解决了脆性夹层紧固过程中气密性与易破损的问题，有效降低了脆性夹层预紧过程中的局部形变，从而有效提升了脆性夹层结构甚至整体机械结构的精度与力学特性。
附图说明
图1为本发明优化方法实现的步骤流程图；
图2为脆性夹层结构的三维模型示意图；
图3为脆性夹层材料破损的极限应力图；
图4为螺钉加载区域示意图；
图5为加载后的脆性夹层材料应力图；
图6为加载后的脆性夹层结构件应力图；
图7为螺钉加载区域示意图
图8为加载后的脆性夹层材料应力图
图9为加载后的脆性夹层结构件应力图
图10为螺钉编号图
图11为角螺钉加载顺序优化图表；
图12为边螺钉加载顺序优化图表。
其中，1-基板、2-玻璃、3-盖板、4-螺栓。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，该方法是针对图2所示的脆性夹层结构中的一圈螺栓如何实现预紧力的优化方法，图中基板1的上表面具有一个凹槽，凹槽内装有玻璃2，盖板3同时置于基板1和玻璃2的表面上，利用螺栓4将盖板3和基板1进行固定，螺栓4在盖板上沿一个矩形框进行分布。
如附图1所示，该方法实现的步骤如下：
步骤一：在计算机的有限元软件中构建脆性夹层结构的三维装配模型并定义其装配参数；
步骤二：在脆性夹层结构的三维装配模型中，构建边界条件同时对预紧力进行线性增长的加载，得到脆性夹层材料的应力应变状态图与脆性夹层结构件的应力应变状态图。在三维装配模型模型中，根据脆性夹层材料的应力应变状态图与其材料属性做对比，得到脆性夹层结构所能承受的最大预紧力，如图3所示，并分析其应力集中；
步骤三：根据应力分布分别对角位置、边位置螺钉的预紧力和装载顺序进行优化。以所述脆性夹层结构为例，均匀加载后应力集中于脆性夹层材料四角，故适当减小如图5所示角螺钉地预紧力，同时增大边螺钉预紧力，在减小应力集中的同时保证夹紧效果，得出如图5、6所示地新的脆性夹层材料的应力应变状态图与脆性夹层结构件的应力应变状态图；进一步地，减小如图7所示的右侧两部分角螺钉的预紧力大小，适当减小其余四部分角螺钉的预紧力大小，得出如图8、9所示的新的脆性夹层材料的应力应变状态图与脆性夹层结构件的应力应变状态图。较之前的应力集中已有明显的优化，得出三段式的预紧力的数值，完成对预紧力加载大小的优化。
对角螺钉装载顺序进行优化。对所述脆性夹层结构的螺钉进行编号，如图10所示，对角螺钉进行先邻角加载和先对角加载的实验对比，根据图11中的图表得出，对角加载的应力分布优于邻角加载，故在角螺钉位置装载顺序选择对角装载；
对边螺钉装载顺序进行优化。对所述脆性夹层结构的边螺钉进行不同顺序的加载，先都按1-6-2-13-12-19-20-25的顺序加载四角螺钉，再按组别加载边螺钉。根据图12中图表得出，边螺钉的最优加载顺序为边中央的螺钉对称预紧，紧固时先预紧右侧中央1个钉，再对称预紧左侧4个钉，在紧固右侧两个钉，这样的加载顺序玻璃应力最小。
步骤四：分别判断预计力优化和加载顺序优化后的应力分布是否均匀，如果是进入下一步，如果否，则返回步骤三重新优化；
步骤五：输出最优的预紧力装载数值与装载顺序。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，其特征在于，该方法实现的步骤如下：
步骤一：在有限元软件中构建脆性夹层结构的三维装配模型并定义其装配参数；
步骤二：在模型中按照破损临界点施加预紧力获取紧固面应力分布状态；
步骤三：根据应力分布分别对角位置、边位置螺钉的预紧力大小和装载顺序进行优化；
步骤四：分别判断预计力优化和加载顺序优化后的应力分布是否均匀，如果是进入下一步，如果否，则返回步骤三重新优化；
步骤五：输出最优的预紧力装载数值与装载顺序。
2.如权利要求1所述的脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，其特征在于，所述步骤一中所述三维模型构建包括分析步长设置、接触面与接触属性设置、约束条件构建以及网格划分。
3.如权利要求2所述的脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，其特征在于，所述步骤二中获取紧固面应力分布状态的过程如下：在三维装配模型中构建边界条件同时对预紧力进行线性增长的加载，得到脆性夹层材料的应力应变状态图与脆性夹层结构件的应力应变状态图；在三维装配模型中根据脆性夹层材料的应力应变状态图与其材料属性作对比，得到脆性夹层结构所能承受的最大预紧力，并分析其应力分布状态。
4.如权利要求3所述的脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，其特征在于，所述步骤三中对角位置、边位置螺钉的预紧力进行优化的过程包括：在三维装配模型中根据脆性夹层结构件的应力应变状态图应力集中位置，适当减小临近螺钉预紧力加载数值而增大其他位置预紧力加载数值，得出角位置螺钉预紧力与边位置螺钉预紧力的最优数值关系。
5.如权利要求3所述的脆性夹层结构螺栓预紧力的优化方法，其特征在于，所述步骤三中对角位置、边位置螺钉的装载顺序进行优化的过程包括：根据脆性夹层结构件的应力应变状态图与脆性夹层材料的应力应变状态图，通过分别顺序加载对角、邻角、对边、邻边的螺钉预紧力并观测应力曲线变化，得出螺钉预紧力的最优加载顺序。
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